振动环境下聚氨酯胶带对飞机进气道螺栓防脱落原位保护的测试研究

振动环境下聚氨酯胶带对飞机进气道螺栓防脱落原位保护的测试研究

吕天宁 ,王景博 ,秦建兵

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089

【摘要】:本文对振动环境下两种聚氨酯胶带在常温、低温、高温以及高低温交变环境下对飞机进气道螺栓防防脱落原位保护的效果进行测试研究。研究结果表明，这两种聚氨酯保护胶带具有良好的粘接性能和耐冲击性能，通过在螺栓头处原位保护可有效避免螺栓头断裂脱落。

【关键词】:聚氨酯胶带；螺栓防脱；原位保护

0.引言

进气道是飞机动力系统重要组成部分，负责供给发动机所需的空气流量。喷气式飞机进气道工作环境较为恶劣，其结构在振动、噪声及气动力交变影响下容易产生疲劳损伤。国内研究普遍认为，喷气式飞机进气道出现的螺栓头断裂等故障的主要原因是进气道在强噪声环境下，噪声脉动压力引起的结构振动疲劳损伤[1] [2]，再加上进气道常温、低温、高温以及高低温交变环境影响，容易引起螺栓头断裂脱落并被吸入发动机，可能导致发动机叶片打伤，形成事故隐患并带来巨大的经济损失。因此，对飞机进气道螺栓的防脱落保护对飞机安全有重要意义。

本文研究了一种通过粘贴聚氨酯胶带对飞机进气道螺栓防脱落原位保护的方法，并通过试验测试研究了振动环境下的两种聚氨酯保护胶带在常温、低温、高温以及高低温交变环境下对飞机进气道螺栓防脱落原位保护的效果，证明了该方法的有效性。

1.3MTM聚氨酯保护胶带

3MTM聚氨酯保护胶带[3]是在聚氨酯热塑性弹性体上涂覆高性能压敏胶制成的,如图1所示，它带有牛皮纸或塑料薄膜离型纸，具有耐磨损、耐刺穿、耐冲击等特点，可以用来保护飞机免受风、雨、雪、沙砾、微尘、冰雹的侵蚀。目前，3MTM聚氨酯保护胶带已经通过波音公司、空中客车等航空公司的认可，在波音747、F-16、C-130、AH-64阿帕奇等多种型号的飞机中得到广泛使用。高性能压敏底胶使聚氨酯保护胶带与飞机表面之间能够形成牢固、可靠的结合层，使用和施工非常方便，不需要专门的技巧和工具。聚氨酯保护胶带采用无溶剂技术制造，在室内长期使用时不会释放对人体有害的易挥发有机成分。3MTM聚氨酯保护胶带有不同的颜色、厚度，也有不同的黏合剂性能、聚氨酯热塑性弹性体性能等，形成系列的产品，以满足不同的保护要求。该保护胶带按室外应用和室内应用分为两种类型，用于室外使用的胶带能够长期抗紫外线老化，在通常情况下，工作寿命可达3～5年。3MTM聚氨酯保护胶带还具有良好的贴附性，能适应大多数曲面形状，还可以按曲面定制生产出各种复杂形状的聚氨酯保护类产品。

图1  聚氨酯保护胶带的结构示意图

基于此，本文通过测试研究，探讨了一种在振动环境下使用胶带实现螺栓防脱落原位保护的方法。通过调研，拟选取3MTM公司的LY2603聚氨酯保护胶带（以下简称2603胶带）和LY9689聚氨酯保护胶带（以下简称9689胶带）作为原位保护物，进行飞机进气道螺栓防脱落原位保护效果的测试研究。

2.振动测试方案

振动测试技术作为解决工程振动问题的一种有效手段，早已被人们所利用。电子技术和传感器技术的发展大大加强了振动测试的功能，提高了测量的精度和速度。现在振动测试技术广泛应用于机器设备的振动状态监测及故障诊断和预测、转子的平衡、环境模拟实验、振动模态参数试验、隔振与减振技术研究等多个领域。[4]

2.1 试验件设计

振动试验件及夹具设计[5][6]包含两种胶带、4种试验环境，每种试验环境下每种胶带各1件，每种胶带共有试验件4×1=4件，试验项目矩阵见表1。

表1  试验项目矩阵

试验件均是由2024铝合金底板、垫板1、垫板2、连接螺栓、螺栓1、螺栓2、螺栓3、铆钉1、铆钉2和胶带组成，其中螺栓1、螺栓2和螺栓3为正常螺栓切割螺纹部分补加工而成，铆钉1、铆钉2为铆接前的状态，结构示意图见图2。

试验时，将试验件底板固定到振动台面上施加振动激励，振动试验照片见图3。

图2  试验件示意图

图3  振动试验照片

2.2 试验载荷情况

振动试验采用的振动频谱见图4，振动方向为粘贴面法向，振动持续时间为4小时；高低温交变时温度时间历程根据飞机实际使用情况确定，见图5。

图4  振动试验频谱

图5  高低温交变温度时间历程

2.3 试验仪器设备

试验仪器及设备见表2。

表2  试验仪器及设备

2.4 试验程序

2.4.1 常温

常温振动试验程序为：

a) 将试验件安装至振动台面上；

b) 开启振动台，按图4规定的试验频谱施加振动激励，振动方向为粘贴面法向，持续4小时；

c) 记录胶带的损伤情况。

2.4.2 低温

低温振动试验程序为：

a) 将试验件安装至振动台面上并放置到温度箱中；

b) 降低温度至-55℃；

c) 保持环境温度，开启振动台，按图4规定的试验频谱施加振动激励，振动方向为粘贴面法向，持续4小时；

d) 记录胶带的损伤情况。

2.4.3 高温

高温振动试验程序为：

a) 将试验件安装至振动台面上并放置到温度箱中；

b) 升高温度至70℃；

c) 保持环境温度，开启振动台，按图4规定的试验频谱施加振动激励，振动方向为粘贴面法向，持续4小时；

d) 记录胶带的损伤情况。

2.4.4 高低温交变

高低温交变振动试验程序为：

a) 将试验件放置到温度箱中；

b) 降低温度至-55℃，保持-55℃2小时；

c) 升高温度至70℃，保持70℃2小时；

d) 按图5所示温度时间历程循环3次后，取出试验件恢复常温；

e) 将试验件安装至振动台上；

f) 开启振动台，按图4规定的试验频谱施加振动激励，振动方向为粘贴面法向，持续4小时；

g) 记录胶带的损伤情况。

高低温振动试验照片见图5。

图5  高低温振动试验照片

3 测试结果

振动试验结束后，检查试验件原位保护物的损伤情况，检查结果见表3.

表3  试验件原位保护物检查结果

按照试验要求完成不同环境不同试验件的振动试验，试验过程无异常。常温、低温、高温以及高低温交变环境四种环境下的振动谱线见附录A。

试验结果显示，振动环境下的两种聚氨酯保护胶带在常温、低温、高温以及高低温交变环境下对飞机进气道螺栓防脱落均起到了良好的原位保护效果。

4 结论与展望

本文研究结果表明，两种聚氨酯胶带在常温、低温、高温以及高低温交变环境下对飞机进气道螺栓均能有效起到防脱落原位保护的效果，可以避免断裂的螺栓被吸入飞机发动机造成事故。

根据本研究成果，使用两种聚氨酯胶带对飞机进气道螺栓进行原位保护，经上百飞行小时的验证，该方法防止进气道螺栓断裂脱落效果显著，胶带结实耐久，外场施工方便、使用维护成本低，可为其他类似管道结构的快速修理提供有益借鉴，具有很好的应用、推广前景。

参考文献

[1] 徐志刚,陈荣,姚起杭 某型飞机进气道在噪声环境中的振动疲劳分析[J]，装备环境工程,2011年第8期，100-103；

[2] 张钊,张万玉 飞机结构振动疲劳分析研究进展[J]，航空计算技术，2012年第4期，60-64；

[3] 基险峰 聚氨酯保护胶带在飞机表面保护中的应用，航空维修与工程[J]，2004年第6期，54-55；

[4] 李方泽 工程振动测试与分析[M]，北京：高等教育出版社，1992；

[5] 黄森 振动试验技术的实施与控制，2013年航空试验测试技术学术交流会[C]，2013年8月；

[6] 文涛，张红霞 浅析环境振动拭验夹具的优化设计，2013年航空试验测试技术学术交流会[C]，2013年8月

附录A

（规范性附录）
振动试验控制点、监测点振动谱线

A1常温振动

A1.1试验件ZD-1(2603)振动谱线

图A1  控制谱线

图A2  2号监测点谱线

图A3  3号监测点谱线

图A4  4号监测点谱线

A1.2试验件ZD-3(2603)振动谱线

图A5  控制谱线

图A6  监测点谱线

A1.3试验件ZD-2(9689) 振动谱线

图A7  控制谱线

图A8  2号监测点谱线

图A9  3号监测点谱线

图A10  4号监测点谱线

A1.4试验件ZD-3(9689) 振动谱线

图A11  控制谱

图A12  2号监测点谱线

图A13  3号监测点谱线

图A14  4号监测点谱线

A2低温振动

A2.1试验件ZD-1(9689) 振动谱线

图A15  控制谱

图A16  2号监测点谱线

图A17  3号监测点谱线

图A18  4号监测点谱线

A2.2试验件ZD-2(2603) 振动谱线

图A19  控制谱

图A20  2号监测点谱线

图A21  3号监测点谱线

图A22  4号监测点谱线

A3高温振动

A3.1试验件ZD-1(9689) 振动谱线

图A23  控制谱

图A24  2号监测点谱线

图A25  3号监测点谱线

图A26  4号监测点谱线

A3.2试验件ZD-2(2603) 振动谱线

图A27  控制谱

图A28  2号监测点谱线

图A29  3号监测点谱线

图A30  4号监测点谱线